运动控制系统2ppt课件

当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电 流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无 静差。此过程也实现了过电流的自动保护。
2.1.3 稳态工作点和稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个 调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
Un *Unnn0
(2-3)
U i*U i IdIdL
(2-4)
第 I 阶段（续）
n
n* I
II
III
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 I 阶段（续）
直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器 很快就压制 Id 了的增长，标志着这一 阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保 持饱和状态，而ACR一般不饱和。
第 II 阶段恒流升速阶段（t1 ~ t2）
+
Tms
1/Ce E
n
图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图
2. 数学模型
图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速 调节器和电流调节器的传递函数。如果
采用PI调节器，则有
WASR(s)Kn
ns1 ns
WACR(s)Ki isis1
2.2.2 起动过程分析
前已指出，设置双闭环控制的一个重 要目的就是要获得接近理想起动过程， 因此在分析双闭环调速系统的动态性能 时，有必要首先探讨它的起动过程。
ABC Ui
TA
U0
电流检测电路 TA——电流互感器
2.1.2 稳态结构图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性， 必须先绘出它的稳态结构图，如下图。 它可以很方便地根据上图的原理图画出 来，只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调节器就可以了。分析静特性的关键 是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。
转速超调后，ASR输入偏差电压变负， 使它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快 下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。
第 Ⅲ 阶段（续）
n
n* I
II
III
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 Ⅲ 阶段（续）
n
直到Id = IdL时， n* I
II
III
1. 系统的组成
TA
L
U*n +-
内环 Ui
V+
U*i ASR +
ACR Uc UPE
Ud
Id
Un
-
外环
+
MM
n
TTGG
图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构
ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器
图中，把转速调节器的输出当作电流 调节器的输入，再用电流调节器的输出 去控制电力电子变换器UPE。从闭环结 构上看，电流环在里面，称作内环；转 速环在外边，称作外环。
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈 开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双
闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节
系统。此时
Id
Ui*m
Idm
(2-2)
式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于 电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速
度。
静特性的垂直特性
O
t
b) 期望的起动过程
3. 我们的目标与解决的思路
启动和动态过程：
主要考核指标：快速性和超调控制能力
理由：电流是决定电机拖动能力的重要因素，因 此动态过程的主要控制量应该是电流
做法：动态过程只针对电流进行控制。保证动态 过程电流始终最大
3. 我们的目标与解决的思路（续）
稳态运行（终级目标）：
主要考核指标：无静差和抗扰动能力 理由：最终目标是转速的无静差，抗扰能力通过转
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第 I 阶段 电流上升阶段（0 ~ t1）
突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小 于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。
当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于机电 惯性，转速不能很快增长，因而转速调 节器ASR的输入偏差电压较大，迅速将 ASR推向饱和，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。
2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型
在单闭环直流调速系统动态数学 模型的基础上，考虑双闭环控制的 结构，即可绘出双闭环直流调速系 统的动态结构图，如下图所示。
1. 系统动态结构
U*n
+-
Un
+
WASR(s) U*i
-
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id -IdL R
得固实定际小电一流个t 比值给。定电流
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 II 阶段（续）
与此同时，电机的反电动势E 也按线性增 长，对电流调节系统来说，E 是一个线性 渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0 和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保 持 Id 恒定。
当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按 线性增长，其输入偏差电压必须维持一定 的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。
不饱和——输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐
明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳 态时总是零。
事实上，转速调节器是可以运行在以 上两种情况，而正常情况下，电流调节 器却不可能让其工作在饱和状态！
3. 系统静特性
由于电流调节器不 n
会达到饱和状态的。n0 C
A
因此，对于静特性
静特性的水平特性
与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上 述第二个关系式可知: Id < Idm。
这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性 的运行段，它是水平的特性。
稳态运行
ASR不饱和
弱磁控制的直流调速系统。
• 单闭系统环启动过程
带电流截止负反馈的单
闭环直流调速系统起动 Id
Idm
过程如图 所示，起动 Idcr
电流达到最大值 Idm 后，
受电流负反馈的作用降
n IdL
低下来，电机的电磁转
矩也随之减小，加速过 O
t
程延长。
图2-1 a) 单闭环调速系统
最佳启动过程（期望）
这些关系反映了PI调节器不同于P调节 器的特点。比例环节的输出量总是正比于 其输入量，而PI调节器则不然，其输出量 的稳态值与输入无关，而是由它后面环节 的需要决定的。后面需要PI调节器提供多 么大的输出值，它就能提供多少，直到饱 和为止。
反馈系数计算
鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计 算与无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节 器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：
这就形成了转速、电流双闭环调速系 统。
2. 系统电路结构
为了获得良好的静、动态性能，转速和 电流两个调节器一般都采用 P I 调节器。 图中标出了两个调节器输入输出电压的实 际极性，它们是按照电力电子变换器的控 制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑 到运算放大器的倒相作用。
•系统原理图
+
RP1 U*n R0
第 II 阶段（续）
恒流升速阶段是起动过程中的主要 阶段。
为了保证电流环的主要调节作用， 在起动过程中 ACR是不应饱和的，电 力电子装置 UPE 的最大输出电压也须 留有余地，这些都是设计时必须注意 的。
第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（ t2 以后）
当转速上升到给定值时，转速调节器 ASR的输入偏差减少到零，但其输出却 由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所 以电机仍在加速，使转速超调。
式（2-2）所描述的静特性是上图中的AB段， 它是垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于 n < n0 的情况。因 为如果 n > n0 ，则Un > U*n ，ASR将退出饱和 状态。
动态运行
ASR饱和
4. 两个调节器的作用
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主 要调节作用。
U cU K d s0C enK sIdRC eU n */K sIdR L (2-5)
上述关系表明，在稳态工作点上，
转速 n 是由给定电压U*n决定的； 稳态时，ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的（因 ASR 的输出是电流的给定）；
控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id， 或者说，同时取决于U*n 和 IdL。
3. 限幅电路
Uin R00
RR1 1 C1C1
-0
+0 0
+0
0
VRRDlim11
+ M
RP1
Uex
VD22 N RP2
-
二极管钳位的外限幅电路
限幅电路（续）
VVSST1 1
VS2T2
R11
C11
Uin RR00
- +0
0
0
+0
0
RRlilmim Uex
稳压管钳位的外限幅电路
4. 电流检测电路
1. 系统稳态结构图
Id
U*n +
R
ASR U*i +
Ui -
ACR Uc UPE Ud0 + - E